JP2006278771A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばFCBGA(flip-chip ball grid array)などの半導体装置、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device such as a FCBGA (flip-chip ball grid array) and a method for manufacturing the same.
FCBGAは、高密度実装に適した構造であるため、コンピュータ装置などに広く用いられている(例えば特許文献1)。図4は、この種の半導体装置(第一従来例)を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。 Since FCBGA has a structure suitable for high-density mounting, it is widely used in computer devices and the like (for example, Patent Document 1). FIG. 4 is a sectional view showing this type of semiconductor device (first conventional example). Hereinafter, description will be given based on this drawing.
半導体装置50は、配線基板51と、配線基板51上に設けられたLSIチップ52と、LSIチップ52上に設けられた放熱板53と、放熱板53と配線基板51との間の空隙に介挿された補強板54と、を備えたFCBGAである。LSIチップ52は、はんだバンプ55の溶着によって配線基板51に接続されている。LSIチップ52と配線基板51との間のギャップには、アンダーフィル樹脂56が注入されている。アンダーフィル樹脂56は、LSIチップ52と配線基板51との熱膨張係数差による熱応力を緩和する働きをする。配線基板51には、半導体装置50(パッケージ)全体の剛性を高めるための補強板54が具備されている。つまり、補強板54は、接着剤57を介して配線基板51に接着され、接着剤58を介して放熱板53に接着されることにより、半導体装置50全体の剛性を高めている。また、LSIチップ52には、効率よく排熱するための放熱板53が熱伝導性樹脂59によって接続されている。更に、配線基板51の裏面には、他の配線基板(以下「マザーボード」という。)に実装させるためのはんだボール60が設けられている。
The
ここで、アンダーフィル樹脂56の作用について詳しく説明する。半導体装置50のON/OFFによって、LSIチップ52と配線基板51とは膨張及び収縮を繰り返す。このとき、LSIチップ52の熱膨張係数は3.5ppmである。これに対し、配線基板51の熱膨張係数は、プリント基板の場合が16ppmであり、アルミナ基板の場合が8ppmである。そのため、これらの熱膨張差によりはんだバンプ55が圧縮及び引っ張りの応力を交互に受けることになる。この熱疲労によってはんだバンプ55が早期に破壊されることにより、電気的な接続が無くなるので、LSIチップ52への信号伝達や電源供給が断絶してしまう。よって、このような構造では信頼性の低い半導体装置50となってしまう。そこで、LSIチップ52と配線基板51との間隙にアンダーフィル樹脂56を充填することにより、LSIチップ52と配線基板51との間に発生する熱応力を緩和させる。アンダーフィル樹脂56は、主にエポキシ系の樹脂が使用される。
Here, the action of the
最近、半導体装置を高周波動作させるため、LSIチップの周辺にコンデンサを配置することが多くなってきている。図5は、この種の半導体装置(第二従来例)を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図4と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。 Recently, in order to operate a semiconductor device at a high frequency, a capacitor is often arranged around an LSI chip. FIG. 5 is a sectional view showing this type of semiconductor device (second conventional example). Hereinafter, description will be given based on this drawing. However, the same parts as those in FIG.
半導体装置70では、LSIチップ52の周辺の配線基板51上にコンデンサ71が配置されている。そして、コンデンサ71の占有面積を得るために、補強板72の大きさを小さくしている。しかしながら、補強板72を第一従来例よりも小さくしたことにより、補強板72本来の目的である剛性確保が損なわれ、半導体装置70の反りなどが生じやすくなる。また、近年のはんだの鉛フリー化により、はんだバンプ55が硬くなったことから、半導体装置70がますます反りやすくなってきている。このような問題は、アンダーフィル樹脂56では解決できない。
In the
そこで、本発明の目的は、何らかの形で構造体の剛性を上げることにより、反りの発生を防ぐことができる、半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can prevent the occurrence of warping by increasing the rigidity of the structure in some form.
本発明に係る半導体装置は、配線基板と、配線基板上に設けられた半導体チップと、半導体チップ上に設けられた放熱板と、放熱板と配線基板との間の空隙に充填された樹脂と、を備えている。放熱板と配線基板との間の空隙に樹脂が充填されていることにより、半導体チップと配線基板との熱膨張係数差によって生じる応力が樹脂によって吸収されるので、半導体装置の反りが抑制される。 A semiconductor device according to the present invention includes a wiring board, a semiconductor chip provided on the wiring board, a heat sink provided on the semiconductor chip, and a resin filled in a gap between the heat sink and the wiring board. It is equipped with. By filling the gap between the heat sink and the wiring board with the resin, the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor chip and the wiring board is absorbed by the resin, so that the warpage of the semiconductor device is suppressed. .
また、半導体チップと配線基板とは突起電極を介して電気的に接続された、としてもよい。このとき、突起電極ははんだバンプでもよく、はんだバンプは鉛フリーはんだから成るものでもよい。鉛フリーはんだは、鉛を含むはんだに比べて硬い。したがって、鉛フリーはんだから成るはんだバンプを用いた半導体装置は、より一層反りやすいので、本発明の効果が顕著になる。 Further, the semiconductor chip and the wiring board may be electrically connected via protruding electrodes. At this time, the bump electrode may be a solder bump, and the solder bump may be made of lead-free solder. Lead-free solder is harder than solder containing lead. Therefore, since the semiconductor device using the solder bump made of lead-free solder is more likely to warp, the effect of the present invention becomes remarkable.
また、放熱板と配線基板との間の空隙の一部の配線基板上にチップ部品が設けられた、としてもよい。チップ部品は、コンデンサ、抵抗器、インダクタなどの受動素子でもよいし、ダイオード、トランジスタ、ICなどの能動素子でもよい。 Further, a chip component may be provided on a part of the wiring board in the gap between the heat sink and the wiring board. The chip component may be a passive element such as a capacitor, a resistor, or an inductor, or may be an active element such as a diode, a transistor, or an IC.
また、放熱板と配線基板との間の空隙に補強板が介挿された、としてもよい。このとき、空隙にチップ部品を設けると、補強板を設けるスペースが少なくなることにより、補強板を小さくしなければならない。そうなると、半導体装置の剛性が低下するので、本発明の効果がより顕著になる。 Moreover, it is good also as the reinforcement board inserted in the space | gap between a heat sink and a wiring board. At this time, if the chip component is provided in the gap, the space for providing the reinforcing plate is reduced, so that the reinforcing plate must be made small. As a result, the rigidity of the semiconductor device is lowered, so that the effect of the present invention becomes more remarkable.
また、放熱板と補強板との互いの対向面の少なくとも一方に、樹脂を注入する樹脂注入溝が形成された、としてもよい。この場合は、樹脂注入溝を使って、放熱板と配線基板との間の空隙に樹脂を効率よく充填するこができる。 Moreover, it is good also as the resin injection | pouring groove | channel which inject | pours resin was formed in at least one of the mutually opposing surface of a heat sink and a reinforcement board. In this case, the resin can be efficiently filled into the gap between the heat sink and the wiring board using the resin injection groove.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、本発明に係る半導体装置を製造する方法であって、次の(1)〜(3)の工程を有する。(1)配線基板上に、半導体チップを設ける。(2)半導体チップ上に、放熱板を設ける。(3)放熱板と配線基板との間の形成された空隙に、樹脂を充填する。 A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, and includes the following steps (1) to (3). (1) A semiconductor chip is provided on a wiring board. (2) A heat sink is provided on the semiconductor chip. (3) Fill the gap formed between the heat sink and the wiring board with resin.
配線基板上に半導体チップを設け、樹脂を充填した後に、半導体チップ上に放熱板を設けると、半導体チップと放熱板との間に樹脂が入り込み、熱放散を妨げることがある。これに対し、本発明では、半導体チップ上に放熱板を設けた後に樹脂を充填するので、そのようなことが起こらない。 If a semiconductor chip is provided on the wiring board and a heat sink is provided on the semiconductor chip after the resin is filled, the resin may enter between the semiconductor chip and the heat sink to prevent heat dissipation. On the other hand, in this invention, since resin is filled after providing a heat sink on a semiconductor chip, such a thing does not occur.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、次の構成の本発明に係る半導体装置を製造する方法である。その半導体装置は、配線基板と、配線基板上に設けられた半導体チップと、半導体チップ上に設けられた放熱板と、放熱板と配線基板との間の空隙に充填された樹脂と、前記空隙に介挿された補強板と、補強板と放熱板との対向面の少なくとも一方に形成された樹脂注入溝と、を備えたものである。って、次の(1)〜(3)の工程を有する。そして、その製造方法は、次の(1)〜(3)の工程を有する。(1)配線基板上に半導体チップ及び補強板を設ける。(2)半導体チップ上に、放熱板を設ける。(3)樹脂注入溝から樹脂を注入することにより、空隙に樹脂を充填する。この場合は、樹脂注入溝を使って、放熱板と配線基板との間の空隙に樹脂を効率よく充填することができる。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention having the following configuration. The semiconductor device includes a wiring board, a semiconductor chip provided on the wiring board, a heat sink provided on the semiconductor chip, a resin filled in a gap between the heat sink and the wiring board, and the gap. And a resin injection groove formed on at least one of the opposing surfaces of the reinforcing plate and the heat radiating plate. Thus, the following steps (1) to (3) are included. The manufacturing method includes the following steps (1) to (3). (1) A semiconductor chip and a reinforcing plate are provided on the wiring board. (2) A heat sink is provided on the semiconductor chip. (3) Filling the gap with resin by injecting resin from the resin injection groove. In this case, the resin can be efficiently filled into the gap between the heat sink and the wiring board using the resin injection groove.
本発明に係る半導体装置は、放熱板と配線基板との間の空隙に樹脂を充填したことにより、熱による反りを抑制できるため、マザーボードにはんだ付によって搭載した際に、はんだ付の品質やはんだ接続の信頼性を向上できる。 Since the semiconductor device according to the present invention can suppress warping due to heat by filling the gap between the heat sink and the wiring board with resin, the soldering quality and soldering can be reduced when mounted on the mother board by soldering. Connection reliability can be improved.
本発明によれば、放熱板と配線基板との間の空隙に樹脂を充填したことにより、半導体チップと配線基板との熱膨張差による反りの発生を抑制できるので、半導体装置の信頼性を向上できる。また、半導体装置の反りを抑制できることにより、半導体装置とマザーボードとを接続するはんだボールに対して、半導体装置のオン/オフによって発生するストレスを軽減できる。これによっても、半導体装置の信頼性を向上できる。更に、半導体装置の反りを軽減できることから、マザーボードに対して半導体装置を面接続できるので、マザーボードへ半導体装置をリフローはんだ付する際の歩留まりを向上できる。 According to the present invention, since the resin is filled in the gap between the heat sink and the wiring board, it is possible to suppress the occurrence of warpage due to the difference in thermal expansion between the semiconductor chip and the wiring board, thereby improving the reliability of the semiconductor device. it can. In addition, since the warpage of the semiconductor device can be suppressed, the stress generated by turning on / off the semiconductor device can be reduced with respect to the solder balls connecting the semiconductor device and the mother board. This also improves the reliability of the semiconductor device. Further, since the warpage of the semiconductor device can be reduced, the semiconductor device can be surface-connected to the motherboard, so that the yield when the semiconductor device is reflow soldered to the motherboard can be improved.
図1は、本発明に係る半導体装置の一実施形態を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図5と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a semiconductor device according to the present invention. Hereinafter, description will be given based on this drawing. However, the same parts as those in FIG.
半導体装置10は、配線基板51と、配線基板51上に設けられたLSIチップ52と、LSIチップ52上に設けられた放熱板11と、放熱板11と配線基板51との間の空隙の周縁部に介挿された補強板12と、放熱板11と配線基板51との間の空隙の配線基板51上に設けられたコンデンサ71と、放熱板11と配線基板51との間の空隙に充填された樹脂13と、を備えている。
The
LSIチップ52には、その回路面に信号の入出力や電源の供給を行うはんだバンプ55が設けられている。はんだバンプ55の組成は、Sn/Pb合金、Sn/Bi/Ag合金、Sn/Ag合金等が使用される。一方、Cuなどの導電体で形成された内部配線14を有する配線基板51の表面には、補強板12及び複数のパッド(符号省略)が具備されている。複数のパッドは、それぞれ内部配線14によって、配線基板51の電源層への接続又は他の部品への相互接続が行われる。
The
配線基板51に設けられたパッド上にはんだバンプ55を介してLSIチップ52が搭載されることにより、配線基板51とLSIチップ52とが電気的かつ機械的に接続される。その上で、LSIチップ52と配線基板51との間隙には、アンダーフィル樹脂56が充填されている。アンダーフィル樹脂56は、機械的強度を確保するだけではなく、LSIチップ52と配線基板51との熱膨張係数差によって発生するはんだボール60の熱応力を緩和する。
By mounting the
LSIチップ52の近傍にはコンデンサ71が実装されており、LSIチップ52による高速のデータ転送を可能としている。また、LSIチップ52のはんだバンプ55の反対面には、放熱板11が熱伝導性樹脂59によって取り付けられている。そのため、LSIチップ52から発生する熱を、放熱板11で効率よく排出することが可能となっている。放熱板11には、排熱性を確保するため、熱伝導性に優れたCuなどが用いられる。
A
LSIチップ52、配線基板51、補強板12及び放熱板11によって囲まれた空隙には、樹脂13が充填されている。樹脂13は、空隙部分の存在によって発生する半導体装置10全体の熱による反りを抑制する。このとき、樹脂13は、熱膨張係数が配線基板51や放熱板11に近く、かつヤング率の大きなものを選択することにより、より一層効果が顕著になる。例えば、配線基板51が有機材料で構成される場合、樹脂13は、熱膨張係数が30ppm程度、かつヤング率が50000MPa程度のものが好ましい。これによって、半導体装置10をはんだボール60を介してマザーボードに実装したとき、半導体装置10の電源オンオフに起因するはんだボール60への熱ストレスの発生を抑制できるので、はんだボール60の寿命を延ばすことができ、その結果信頼性の高い半導体装置10を提供することが可能となる。
A space surrounded by the
次に、半導体装置10の製造方法について、図1乃至図3に基づき説明する。
Next, a method for manufacturing the
図2[1]は放熱板11の平面図及び正面図であり、図2[2]は、補強板12の平面図及び正面図である。以下、この図面に基づき説明する。
FIG. 2 [1] is a plan view and a front view of the
放熱板11の表面11bは平面である。一方、放熱板11の裏面11aには、放熱板11各辺の中央に全部で四本の樹脂注入溝111〜114が形成されている。同じように、補強板12の裏面11bは平面である。一方、補強板12の表面11aには、補強板12各辺の中央に全部で四本の樹脂注入溝121〜124が形成されている。樹脂注入溝111〜114と樹脂注入溝121〜124とは、それぞれ対向する位置に形成されているので、対向することによってより大きな樹脂注入溝となる。なお、樹脂注入溝111〜114,121〜124は、図示したものに限らず、本数、幅、長さ及び深さを自由に選択してよい。
The
図3は半導体装置10の製造方法を示す断面図であり、図3[1]は第一工程、図3[2]は第二工程である。以下、図1及び図3に基づき説明する。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the
まず、配線基板51上に、はんだバンプ55を介してLSIチップ52を設けるとともに、接着剤57を介して補強板12を設ける。このとき、補強板12は、樹脂注入溝122,124が上になるように、配線基板51上に設ける。続いて、LSIチップ52上に、熱伝導性樹脂59を介して、放熱板11を設ける。このとき、放熱板11は、樹脂注入溝112,114が下になるように、LSIチップ52上に設ける(図3[1])。
First, the
続いて、ディスペンサ20などを用いて、樹脂注入溝114,124から樹脂13を注入する(図3[2])。これにより、配線基板51、放熱板11、補強板12及びLSIチップ52によって囲まれた空隙に、樹脂13が充填される(図1)。
Subsequently, the
本実施形態によれば、樹脂注入溝114,124を使って、放熱板11と配線基板51との間の空隙に、樹脂13を効率よく充填するこができる。また、配線基板51上にLSIチップ52を設け、樹脂13を先に充填した後に、LSIチップ52上に放熱板11を設けると、LSIチップ52と放熱板11との間に樹脂13が入り込み、熱放散を妨げることがある。これに対し、本実施形態では、LSIチップ52上に放熱板11を設けた後に樹脂13を充填するので、そのようなことが起こらない。
According to the present embodiment, the
なお、本発明は、言うまでもなく、上記実施形態に限定されない。例えば、配線基板51上にコンデンサ71が搭載されていない場合にも、本発明を適用できる。
Needless to say, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the present invention can be applied even when the
10 半導体装置
11 放熱板
111〜114 放熱板の樹脂注入溝
12 補強板
121〜124 補強板の樹脂注入溝
13 樹脂
51 配線基板
52 LSIチップ(半導体チップ)
55 はんだバンプ
71 コンデンサ(チップ部品)
DESCRIPTION OF
55
Claims (9)
請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor chip and the wiring board are electrically connected via protruding electrodes,
The semiconductor device according to claim 1.
請求項2記載の半導体装置。 The protruding electrode is a solder bump.
The semiconductor device according to claim 2.
請求項3記載の半導体装置。 The solder bump is made of lead-free solder.
The semiconductor device according to claim 3.
請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置。 A chip component is provided on the wiring board in a part of the gap,
The semiconductor device according to claim 1.
請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体装置。 A reinforcing plate is inserted in the gap,
The semiconductor device according to claim 1.
請求項6記載の半導体装置。
A resin injection groove for injecting the resin is formed on at least one of the opposing surfaces of the heat radiating plate and the reinforcing plate,
The semiconductor device according to claim 6.
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A semiconductor chip is provided on the wiring board, a heat sink is provided on the semiconductor chip, and a resin is filled in a gap between the heat sink and the wiring board.
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記配線基板上に前記半導体チップ及び前記補強板を設け、前記半導体チップ上に放熱板を設け、前記樹脂注入溝から前記樹脂を注入することにより前記空隙に樹脂を充填する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A wiring board; a semiconductor chip provided on the wiring board; a heat sink provided on the semiconductor chip; a resin filled in a gap between the heat sink and the wiring board; and A method of manufacturing a semiconductor device comprising an inserted reinforcing plate and a resin injection groove formed on at least one of the opposing surfaces of the reinforcing plate and the heat radiating plate,
Providing the semiconductor chip and the reinforcing plate on the wiring substrate, providing a heat sink on the semiconductor chip, and filling the gap with resin by injecting the resin from the resin injection groove;
A method for manufacturing a semiconductor device.
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